Компенсационный стабилизатор напряжения расчет

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собою систему автоматичного регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения напряжения на входе стабилизатора. Такие стабилизаторы дают возможность стабилизировать напряжение при больших токах нагрузки и значительных изменениях входного напряжения. Они имеют больший чем параметрические стабилизаторы коэффициент стабилизации напряжения и меньшее выходное сопротивление. Компенсационные стабилизаторы напряжения в данное время изготовляются в виде законченных ИМС. Схема включения таких стабилизаторов зависит от типа ИМС. Для стабилизаторов, которые рассчитываются, схема включения приведена на рис.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Компенсационный стабилизатор напряжения. Расчёт стабилизатора напряжения
• Рубрика «Линейные стабилизаторы»
• Расчет компенсационного стабилизатора
• Стабилизаторы напряжения
• Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения
• Компенсационные стабилизаторы
• Please turn JavaScript on and reload the page.
• Компенсационные стабилизаторы напряжения.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: 20. 6 Компенсационные стабилизаторы.

Компенсационный стабилизатор напряжения. Расчёт стабилизатора напряжения

Преобразователи, датчики, сенсоры. Стабилизатор напряжения. Описание, схема. Для питания различных измерительных преобразователей, устройств радиоэлектронной аппаратуры РЭА в большинстве случаев применяют стабилизаторы напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, предназначенное для автоматического поддержания на входах приемников электрической энергии постоянства величины напряжения независимо от колебаний напряжения питающей сети и величины нагрузки.

По принципу действия стабилизаторы напряжения подразделяют на параметрические и компенсационные. К параметрическим относятся стабилизаторы, у которых регулирующий элемент воздействует на регулируемую величину с целью приблизить ее значение к значению заданной величины, не учитывая при этом разности регулируемой и заданной величин.

Простейшим и в то же время самым распространенным параметрическим стабилизатором является стабилизатор, использующий особенность вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.

Он представляет собой делитель напряжения, включающий балластный резистор Rб и стабилитрон VD1 рис. При расчете параметров элементов параметрического стабилизатора, заранее известными величинами являются пределы изменения питающего напряжения; напряжение стабилизации стабилитрона, равное выходному напряжению стабилизатора; минимальный и максимальный токи стабилизации; динамическое сопротивление стабилитрона.

Температура, термоэлектричество. Магнитные поля. Механические напряжения, деформации. Сила, давление, перемещение, расход. Влажность, газы. Фотоэффекты, свет. Ионизирующие излучения. Электричество, емкость, пьезоэлектричество. Физические параметры материалов. Литература по преобразователям. Новости, выставки, конференции. О проекте. Сопряжение с аппаратурой. При выборе номинального рабочего тока стабилитрона следует соблюдать ограничение:.

Где Iст. Значения Iст. Важными параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации напряжения и максимально допустимый ток нагрузки. Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз изменение питающего напряжения превосходит изменение напряжения на нагрузке:.

Малая нагрузочная способность и относительно небольшой коэффициент стабилизации накладывают определенные ограничения на применение параметрических стабилизаторов. Отрицательными факторами являются также температурная нестабильность, относительно большой разброс напряжения стабилизации у приборов одного типа, невозможность изменения величины выходного напряжения. Если нагрузочную способность параметрического стабилизатора можно повысить путем использования каскада усиления по току рис.

Значительно лучшими характеристиками обладают компенсационные стабилизаторы. Компенсационным стабилизатором напряжения называется стабилизатор, в котором величина воздействия на регулируемое напряжение зависит от разности величин выходного и образцового опорного напряжений.

Одной из разновидностей компенсационного стабилизатора напряжения является стабилизатор непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента, в котором используется принцип замкнутой системы автоматического регули-рования.

В схеме стабилизатора, показанной на рисунке 3, можно выделить основные функциональные узлы: регулирующий элемент VТ1, источник опорного напряжения R2VD1 и усилитель постоянного тока VТ2, принцип взаимодействия которых описан ниже.

Напряжение на эмиттере транзистора VТ2 поддерживается постоянным по величине за счет напряжения стабилизации стабилитрона VD1, рабочий ток которого задается резистором R2. При уменьшении напряжения на выходе стабилизатора ниже заданного уровня уменьшается и напряжение на базе транзистора VТ2, снимаемое с делителя напряжения RЗR4.

А так как при этом напряжение на эмиттере транзистора VТ2 остается прежним, то уменьшается и напряжение база — эмиттер, что вызывает закрывание этого транзистора.

Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 увеличивается и, поступая на базу транзистора VТ1, открывает последний.

Напряжение коллектор — эмиттер транзистора VТ1 уменьшается, что вызывает увеличение выходного напряжения стабилизатора вплоть до заранее заданной величины. Если в процессе работы напряжение на выходе стабилизатора возрастает, то транзистор VТ2 открывается, напряжение на его коллекторе уменьшается, что вызывает закрывание транзистора VТ1, а следовательно, и уменьшение напряжения на выходе стабилизатора.

Изменяя отношение величин резисторов R3 и R4 можно регулировать выходное напряжение стабилизатора в определенных пределах.

Коэффициент стабилизации у стабилизатора непрерывного действия выше, чем коэффициент стабилизации у параметрических стабилизаторов, и достигает , а при увеличении коэффициента усиления усилителя постоянного тока, применении отдельного источника опорного напряжения и т. Внутреннее сопротивление таких стабилизаторов может иметь величину до нескольких миллиом, что позволяет их применять для питания низкоомной нагрузки. Следующим представителем этого класса стабилизаторов является компенсационный стабилизатор непрерывного действия с параллельным включением регулирующего элемента рис.

Применение таких стабилизаторов целесообразно только в случае незначительного изменения тока нагрузки в процессе работы. В противном случае КПД таких стабилизаторов становится весьма низким, что и накладывает ограничения на их применение. Литература: Б. Кружок электронной автоматики.

Рубрика «Линейные стабилизаторы»

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации. Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника — стабилитрона показана на графике. Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой.

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом . Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с.

Расчет компенсационного стабилизатора

Параметрический стабилизатор напряжения — это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счет сильной нелинейности вольт-амперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора то есть за счет внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения. Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы. Из-за низкого КПД такие стабилизаторы находят применение в основном в слаботочных схемах с нагрузками до нескольких десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения например, в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения. Рассмотрим простейший параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона схема приведена ниже :. В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется оно остаётся таким же, как и на стабилитроне , вместо этого изменяется ток через стабилитрон в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже. То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе. Для нормальной работы стабилизатора чтобы напряжение на нагрузке всегда было в пределах от Uст min до Uст max необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:.

Стабилизаторы напряжения

В статье расскажем про компенсационный стабилизатор напряжения, о расчёте стабилизатора напряжения. Предоставим практические советы конструкторам. Нарисуем схему стабилизатора. При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания нестабильности и пульсации напряжения питания существенно изменяют режимы и параметры работы радиоэлектронных схем.

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения.

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения

Указания содержат краткие сведения о полупроводниковых приборах — диодах, стабилитронах и биполярных транзисторах, рекомендации по выбору приборов и методики расчетов основных устройств — выпрямителей, стабилизаторов, усилителей. Типовые расчеты проводятся на основе экспериментальных характеристик полупроводниковых приборов, снятых студентами во время лабораторных занятий. Предназначены для студентов специальностей , и дневной и вечерней форм обучения. Печатается по решению редакционно-издательского совета Муромского института Владимирского государственного университета. Каждому студенту выдается задание, в котором требуется рассчитать типовые схемы выпрямителя, стабилизатора, усилительного каскада на биполярном транзисторе. Особенностью проводимых работ является то, что в качестве характеристик и параметров полупроводниковых приборов студенты используют не справочные данные, а данные, полученные в результате выполнения лабораторных работ по этому курсу.

Компенсационные стабилизаторы

Расчёт стабилизатора напряжения При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания нестабильности и пульсации напряжения питания существенно изменяют режимы и параметры работы радиоэлектронных схем. Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания влажности окружающей среды. Компенсационный стабилизатор Различают компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного и импульсного действия. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного опорного напряжения. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню.

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с . Расчёт стабилизатора напряжения (meanders. ru).

Please turn JavaScript on and reload the page.

В продолжении темы о макетных платах, хочу поделиться своим опытом изготовления модуля питания для беспаечных макетных плат. В буржуйских интернет-магазинах такой модуль называется Breadboard Power Supply. Итак, как я уже сказал, в магазинах такой модуль найти можно, но все магазинные модули меня по тем или иным причинам не устроили, — то цена кусается, то разъёмы …. Читать далее.

Компенсационные стабилизаторы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения. Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения.

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Современные компенсационные стабилизаторы последовательного типа обязательно имеют быстродействующую защиту РТ от теплового пробоя при его перегрузке. Поэтому структурная схема стабилизатора дополнена элементами защиты рис. При перегрузке схема защиты перехватывает на себя весь стабильный ток, в результате чего РТ запирается. В обслуживаемых сильноточных стабилизированных ВИП желательна защита без самовозврата к рабочему режиму защита с защелкой , при которой ВИП после устранения причины перегрузки приводится в рабочее состояние, например, нажатием и отпусканием кнопочного выключателя на лицевой панели ВИП. Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы. Кпд компенсационного стабилизатора значительно выше, чем стабилизатора, приведенного на рис.

Произвести расчет компенсационного стабилизатора напряжения, схема которого представлена на рис. Исходные параметры для данного расчета заданы в таблице 3. Справочные данные транзисторов — в таблице 4. Номинальные значения сопротивлений выбираются из ряда Е24 таблица 5.

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС — Студопедия

Поделись  

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собою систему автоматичного регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянное напряжение на выходе независимо от изменения напряжения на входе стабилизатора. Такие стабилизаторы дают возможность стабилизировать напряжение при больших токах нагрузки и значительных изменениях входного напряжения. Они имеют больший чем параметрические стабилизаторы коэффициент стабилизации напряжения и меньшее выходное сопротивление. Компенсационные стабилизаторы напряжения в данное время изготовляются в виде законченных ИМС. Параметры некоторых из них приведены в при

ложении 8. Схема включения таких стабилизаторов зависит от типа ИМС. Для стабилизаторов, которые рассчитываются, схема включения приведена на рис.5.

Входными данными для расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС являются:

— выходное напряжение на нагрузке ;

— выходной ток нагрузки ;

— амплитуда напряжения пульсаций на выходе стабилизатора ;

После расчета элементов стабилизатора получим данные для расчета выпрямителя:

— напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

Методика расчета компенсационного стабилизатора напряжения на ИМС следующая.

1. Согласно приложению 8 по значению заданного выходного напряжения на нагрузке  и заданного тока нагрузки  выбирают необходимый тип ИМС компенсационного стабилизатора. Для этой ИМС находят по таблице: коэффициент подавления пульсаций , величину опорного напряжения , величину тока управления , падение напряжения на регулирующем элементе ИМС , максимально допустимую мощность, которая рассеивается ИМС , тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусом   и максимальную рабочую температуру р-п перехода .

2. Задаемся рекомендованным значением резистора  в пределах 180-240 Ом, который выбирается согласно номинальному ряду значений (см. приложение 1).

3. Находим значение номинала резистора из выражения:

.                                   (4.1)

4. Согласно приложению 1 выбирают ближайшее номинальное значение сопротивления резистора .

5. По выражению (1) рассчитывают уточненное значение выходного напряжения на нагрузке, которое не должно выходить за пределы заданного допуска . Иначе резистор  делают с помощью параллельного или последовательного соединения двух резисторов с необходимым номинальным значением сопротивления.

6. Находим мощность рассеивания резисторов , :

,                                           (4.2)

.                                           (4.3)

7. Далее с помощью приложения 1 выбирают номинальную мощность рассеивания этих резисторов.

8. Находим минимальное значение напряжения  на входе стабилизатора:

.                                        (4.4)

Выбираем конкретное значение этого напряжения.

9. Находим значение необходимого тока  на входе стабилизатора:

.                                             (4.5)

10.  Определяем максимальную амплитуду напряжения пульсаций на входе стабилизатора из выражения:

.                                            (4.6)

11.  Выбираем значение номинала емкости конденсатора  в пределах 1-100 мкФ согласно номинальному ряду (см. приложение 2).

12. Находим рабочее напряжение конденсатора :

.                                      (4.7)

Выбираем согласно приложению 2 конденсатор с необходимой номинальной емкостью и рабочим напряжением.

13.  Находим мощность, которая рассеивается не регулирующем элементе ИМС:

.                                         (4.8)

Полученное значение должно быть меньше допустимой рассеиваемой мощности данной ИМС . Иначе необходимо выбрать более мощную ИМС компенсационного стабилизатора.

14.  Определим тепловой режим работы ИМС. Для этого находим температуру р-п перехода ИМС  во время работы схемы при температуре окружающей среды :

.                                      (4.9)

Если рассчитанная температура р-п перехода  во время работы ИМС не превышает предельную температуру р-п перехода , то данная ИМС может работать без дополнительного радиатора. В противном случае необходимо использование дополнительного радиатора с тепловым сопротивлением не более:

.                                          (4.10)

В этом случае по расчету выбирается нужное тепловое сопротивление радиатора.

15. Для последующего расчета выпрямителя используют следующие рассчитанные данные:

— напряжение на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— ток на входе фильтра (выходе выпрямителя) ;

— напряжение пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя) .

5.  Далее переходят к расчету выпрямителя согласно методике раздела 5.

 



Схема стабилизирующего трансимпедансного усилителя

ПРИМЕЧАНИЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ 5129

Автор: Акшай Бхат

Резюме: Трансимпедансные усилители (TIA) широко используются для преобразования выходного тока датчиков, таких как сигналы фотодиода, в сигналы напряжения, поскольку многие схемы и приборы могут принимать только входное напряжение. Операционный усилитель с резистором обратной связи от выхода к инвертирующему входу является наиболее простой реализацией такого TIA. Однако даже эта простая схема TIA требует осторожного компромисса между усилением шума, напряжением смещения, полосой пропускания и стабильностью. Очевидно, что стабильность в TIA необходима для хорошей и надежной работы. В этом примечании по применению объясняются эмпирические расчеты для оценки стабильности, а затем показано, как точно выбрать конденсатор фазовой компенсации обратной связи.

Похожая версия этой статьи появилась в выпуске журнала Electronic Design от 28 октября 2011 года.

Дикие колебания: почему они происходят?

На рисунках с 1 по 3 показаны некоторые основные схемы TIA. Рисунок 1 обычно используется в системах с двойным питанием. Рисунок 2. представляет собой небольшую модификацию этой схемы для приложений с однополярным питанием. Резистивный делитель, образованный резисторами R1 и R2, гарантирует, что выходной узел операционного усилителя будет выше, чем указано в спецификации «Низкое выходное напряжение», в условиях отсутствия света, когда через фотодиод протекает лишь небольшой темновой ток. Благодаря тому, что выходной каскад операционного усилителя работает в линейной области, это смещение улучшает как фотодетектирование в условиях низкой освещенности, так и скорость отклика. Однако необходимо следить за тем, чтобы это напряжение смещения на выводе IN+ было небольшим. В противном случае обратный ток утечки в фотодиоде может ухудшить линейность и увеличить дрейф смещения в зависимости от температуры. В некоторых приложениях схема в Рисунок 3 используется, когда фотодиод размещается непосредственно на входных клеммах операционного усилителя. Эта схема позволяет избежать обратного смещения на фотодиоде, хотя и требует буферизованного опорного сигнала. Опорный сигнал должен быть достаточно быстрым, чтобы потреблять ток фотодиода в соответствии с требованиями приложения. Это, в свою очередь, означает, что усилитель A1 должен быть таким же быстрым, как усилитель A2.

Рис. 1. Базовая схема TIA (двойное питание).

Рис. 2. Базовая схема TIA на рис. 1, модифицированная для однополярного питания.

Рис. 3. Базовая схема TIA на рис. 2, модифицированная для однополярного питания.

Как и любая схема операционного усилителя с обратной связью, каждая из вышеперечисленных схем может быть разделена на усилитель с коэффициентом усиления без обратной связи, A _VOL и цепь обратной связи, состоящую из сопротивления и фотодиода. На Рисунке 4 показана эквивалентная схема фотодиода на Рисунках с 1 по 3.¹ Для большинства фотодиодов R _СЕРИЯ = 0 и R _SHUNT = Бесконечность является хорошим приближением. Следовательно, упрощенная модель сводится к источнику тока короткого замыкания параллельно емкости перехода. Эта упрощенная модель фотодиода будет использоваться для последующего анализа стабильности.

Рис. 4. Эквивалентная схема фотодиода: I _P = фототок; R _SHUNT = сопротивление диодного шунта; C _J = емкость перехода; и R _S = последовательное сопротивление.

Чтобы понять, почему схемы на рисунках с 1 по 3 могут колебаться, полезно построить график частоты коэффициента усиления без обратной связи и коэффициента обратной связи. На рис. 5 показана характеристика усиления без обратной связи операционного усилителя. Она постоянна от постоянного тока до угловой частоты доминирующего полюса; после этого он уменьшается на 20 дБ за каждое десятилетие, пока не достигнет угла второго полюса. Математически однополюсный отклик можно представить как:

(уравнение 1)

Где:
A _VOL = усиление без обратной связи по постоянному току
A _VOL (jω) = усиление без обратной связи, соответствующее частоте, ω
ω _PD = частота доминирующего полюса в радианах/с 0 Используя упрощенную эквивалентную схему для фотодиода, цепь обратной связи представляет собой просто однополюсный RC-фильтр, состоящий из сопротивления обратной связи, R _F , и общей входной емкости, C _i (емкость перехода фотодиода параллельно с входная емкость операционного усилителя). Коэффициент обратной связи задается как:

(уравнение 2)

Следовательно, обратная величина коэффициента обратной связи:

(уравнение 3)

На рис. 5 также представлена ​​кривая отклика для 1/β(jω). На низких частотах кривая остается плоской при единичном усилении, как и ожидалось от резистивной обратной связи с единичным усилением. Затем она возрастает со скоростью 20 дБ/дек, начиная с частоты среза, f _F .

Рис. 5. Коэффициент усиления без обратной связи, A _VOL (jω) и обратную величину коэффициента обратной связи 1/β(jω) в зависимости от частоты. Скорость закрытия между двумя кривыми определяет вероятность колебаний/звона.

По критерию устойчивости Баркгаузена возможны осцилляции, если замкнутая схема TIA не имеет достаточного запаса по фазе для Aβ ≥ 1. Следовательно, пересечение кривой отклика A _VOL (jω) с кривой 1/β Кривая (jω) обозначает критическое пересечение, лежащее в основе анализа устойчивости. Запас по фазе на этой частоте пересечения можно определить, наблюдая скорость сближения между двумя кривыми отклика, A _VOL (jω) и 1/β(jω). Если скорость замыкания двух кривых отклика составляет 40 дБ, как показано на рисунке 5, схема будет нестабильной. Есть еще один интуитивный способ понять это. На более низких частотах фазовый сдвиг в сигнале обратной связи составляет 180 градусов из-за инвертирующего характера отрицательной обратной связи. Поскольку частота значительно возрастает до области наклона -20 дБ/дек для A _VOL , доминирующий полюс операционного усилителя может добавить фазовый сдвиг до 90 градусов. Точно так же полюс, введенный сетью обратной связи, может добавить еще 90 градусов фазового сдвига, что приводит к фазовому сдвигу примерно на 360 градусов при Aβ = 1. Если фазовый сдвиг составляет 360 градусов, возникают самоподдерживающиеся колебания. Если фазовый сдвиг близок к 360 градусам, наблюдается сильный звон. В любом случае для стабилизации схемы потребуется какая-либо схема фазовой компенсации.

Нет зла ​​без компенсации: расчет конденсатора обратной связи

Общеизвестно, что добавление шунтирующего конденсатора параллельно сопротивлению обратной связи обеспечивает необходимую компенсацию, гарантирующую достаточный запас по фазе ( Рисунок 6 ). Важно рассчитать емкость конденсатора обратной связи, необходимую для обеспечения оптимальной компенсации. Чтобы учесть добавленный конденсатор фазовой компенсации, замените Z _F в уравнении 2 на R _F || С _Ф . Коэффициент обратной связи теперь принимает вид:

(уравнение 4)

Сравнение уравнения 2 и уравнения 4 показывает, что добавление конденсатора C _F вносит ноль в коэффициент обратной связи, помимо изменения его полюса. Нуль компенсирует фазовый сдвиг, вносимый цепью обратной связи. Это можно увидеть графически на Рисунок 7 . Если фазовый сдвиг компенсируется за счет выбора большого конденсатора обратной связи, то скорость замыкания может быть снижена до 20 дБ на декаду (запас по фазе 90 градусов). Однако сверхкомпенсация также снижает полезную полосу пропускания TIA. В то время как уменьшенная полоса пропускания может не быть проблемой для низкочастотных фотодиодных приложений, для высокочастотных или маломощных импульсных фотодиодных схем определенно необходимо максимизировать доступную полосу пропускания. Для таких приложений цель состоит в том, чтобы найти минимальное значение конденсатора компенсации обратной связи, C _F , необходимый для устранения колебаний и минимизации звона. Тем не менее, всегда полезно немного перекомпенсировать схему TIA. Рекомендуется сверхкомпенсация, чтобы обеспечить достаточную защитную полосу для учета отклонения полосы пропускания операционного усилителя до ±40% от углов процесса и допустимого отклонения конденсатора обратной связи.

Рис. 6. Конденсатор фазовой компенсации C _F помогает улучшить стабильность.

Рис. 7. Фазовая характеристика с фазокомпенсирующим конденсатором C _Ф .

Хорошим конструктивным компромиссом является достижение запаса по фазе в 45 градусов на пересечении кривых A _VOL (jω) и 1/β(jω). Этот запас требует, чтобы оптимальное значение C _F было рассчитано таким образом, чтобы добавленный нуль в коэффициенте обратной связи β(jω) располагался на частоте, соответствующей Aβ = 1, как показано на рисунке 7. Одно уравнение для частота перехвата:

(уравнение 5)

Уравнение 5 имеет два неизвестных, частота пересечения, f _i и конденсатор обратной связи C _F . Чтобы найти C _F , нам нужно найти еще одно уравнение. Один из способов получить второе уравнение состоит в том, чтобы приравнять кривые A _VOL (jω _i ) и 1/β (jω _i ). Полученное уравнение является сложным и не поддается простому решению. Графический подход для решения C _F является более удобной альтернативой.² На рис. 7 обе кривые имеют наклон 20 дБ/дек. Следовательно, примерный треугольник, образованный обеими кривыми с горизонтальной осью, является равнобедренным. Следовательно, частота пересечения f _i — это среднее значение двух других вершин. Поскольку частота представлена ​​в логарифмическом масштабе, имеем:

(уравнение 6)

Здесь:

(уравнение 7)

Где f _GBWP = полоса пропускания операционного усилителя с единичным усилением. Чтобы учесть изменение полосы пропускания при единичном усилении по углам процесса, выберите f _GBWP равным 60 % от значения, указанного в спецификации операционного усилителя.

Для декомпенсированных операционных усилителей используйте f _GBWP , чтобы равняться 60% частоты, на которой проекция наклона -20 дБ A _VOL (jω _i ) пересекает линию оси x 0 дБ.

С некоторыми алгебраическими преобразованиями уравнение 6 можно переписать как:

(уравнение 8)

Уравнение 8 показывает, что частота пересечения f _i равна среднему геометрическому ширины полосы с единичным усилением, f _GBWP и угловая частота f _F β(jω). Подставляя f _F из уравнения 7, мы получаем:

(уравнение 9)

Приравнивая уравнения 5 и 9 и возводя их в квадрат, получаем:

Приведенное выше квадратное уравнение можно легко решить, чтобы вычислить следующее значение C _F :

(уравнение 10)

Расчетное значение конденсатора обратной связи С _F действителен как для фотодиодов большой площади, так и для фотодиодов малой площади.

Хорошо… Предоставьте нам возможности сейчас: Пример конструкции

TIA используются в различных приложениях, таких как 3D-очки, проигрыватели компакт-дисков, пульсоксиметры, ИК-пульты дистанционного управления, датчики внешней освещенности, приборы ночного видения и лазерный дальномер.

Рассмотрим применение датчика дождя. Датчики дождя в настоящее время используются в автомобилях высокого класса для автоматической регулировки скорости работы стеклоочистителей в зависимости от наличия и интенсивности дождя. Обычно оптические датчики дождя работают по принципу полного внутреннего отражения. Датчик обычно расположен за зеркалом заднего вида водителя. Лазерный источник инфракрасного света излучает световые импульсы под углом к ​​лобовому стеклу. Если стекло не мокрое, то большая часть света возвращается на фотодиодный детектор. Если стекло мокрое, то часть света преломляется, и датчик, настраивающий стеклоочиститель, улавливает меньше света. Скорость стеклоочистителя устанавливается в зависимости от того, насколько быстро накапливается влага между уборками.

Обнаружение изменения влажности для регулировки стеклоочистителей при отклонении низкочастотного инфракрасного излучения окружающего света требует, чтобы датчик дождя работал с частотой импульсов более 100 Гц. Например, рассмотрим задачу разработки TIA для датчика дождя со следующими характеристиками:

Пиковая амплитуда импульса тока ИК-излучения фотодиода = от 50 нА до 10 мкА, в зависимости от содержания отраженного света
Продолжительность включения = 50 мкс
Рабочий цикл = 5 %
R _F = 100 кОм
Используется фотодиод BPW46

В таблице 1 перечислены некоторые малошумящие CMOS-входы, операционные усилители Maxim, широко используемые в схемах TIA в самых разных приложениях. Для этого примера конструкции мы выбрали операционный усилитель MAX9636. MAX9636 также подходит для другого портативного оборудования с батарейным питанием, поскольку его конструкция является хорошим компромиссом между более низким током покоя и шумовыми характеристиками. Для приложений с более высокой пропускной способностью более подходящими могут быть операционные усилители, такие как MAX4475 и MAX4230.

Таблица 1. Максимальные операционные усилители, подходящие для схем трансимпедансных усилителей
Деталь	Входной ток смещения (пА)	Шум входного напряжения (нВ/кв.кв.(Гц))	Ток питания (мкА)	Полоса пропускания с единичным усилением (МГц)	Самая маленькая упаковка	Характеристики
МАКС9636	< 0,8	38 при 1 кГц	36	1,5	СК70	Низкое энергопотребление, малый ток смещения, высокое отношение GBW к потребляемому току, низкая стоимость
МАКС9620	< 80	42 при 1 кГц	59	1,5	СК70	Точность, малое энергопотребление, высокое отношение GBW к потребляемому току
МАКС9613	< 1,55	28 при 10 кГц	220	2,8	СК70	Низкий ток смещения при В CM = В EE , В ОС самокалибровка
МАКС4475	< 1	4,5 при 1 кГц	2200	10	СОТ23, ТДФН	Сверхнизкий уровень шума
МАКС4230	< 1	15 при 1 кГц	1100	10	СК70	Широкая полоса пропускания, низкий уровень шума
МАКС9945	< 0,15	16,5 при 1 кГц	400	3	ТДФН	Высокое напряжение, малая мощность
МАКС4250	< 1	8,9 при 1 кГц	400	3	СОТ23	Низкий уровень шума и искажений
МАКС4238	< 1	30 при 1 кГц	600	1	СОТ23, ТДФН	Точность и малый дрейф
МАКС4400	< 1	36 при 10 кГц	320	0,8	СК70	Низкая стоимость

Оценочное значение емкости обратной связи рассчитывается путем подстановки следующих параметров в уравнение 10:

C i	= емкость перехода фотодиода (70 пФ) + входная емкость 2 пФ MAX9636
	= 72 пФ

f _GBWP = 0,9 МГц.

Полоса пропускания не является урезанным параметром и может варьироваться в пределах ±40% от угла процесса для любого операционного усилителя. Следовательно, несмотря на то, что в технических характеристиках указано, что типичная полоса пропускания с единичным усилением составляет 1,5 МГц, мы считаем, что полоса с единичным усилением составляет 60 % от этого типичного значения, чтобы учесть изменения процесса.

Здесь R _F = 100 кОм. Следовательно, расчетное значение C _F = 15,6 пФ. Следующее по величине стандартное значение конденсатора составляет 18 пФ.

На рис. 8 показан выход TIA без компенсационного конденсатора обратной связи и с использованием схем, показанных на рис. 1–3. Как и ожидалось, колебания наблюдаются без фазово-компенсирующего конденсатора. Если используется C _F = 10 пФ, то звон прекращается, хотя перерегулирование все еще видно, как видно на Рис. 9 . Затем емкость конденсатора обратной связи увеличивается до рекомендуемого расчетного значения 18 пФ. На рис. 10 показано, что для случая C _F = 18 пФ не наблюдается ни звона, ни осцилляции, что подтверждает приведенный выше теоретический анализ. На рис. 11 показана соответствующая малая ступенчатая характеристика сигнала при амплитуде тока фотодетектора 50 нА.

Рис. 8. Выход MAX9636 с R _F = 100 кОм, C _F не установлен, импульс входного тока 10 мкА.

Рис. 9. Выход MAX9636 с R _F = 100 кОм, C _F = 10 пФ и входным импульсом тока 10 мкА.

Рис. 10. Выход MAX9636 с R _F = 100 кОм, C _F = 18 пФ, C _i = 72 пФ и входным импульсом тока 10 мкА.

Рис. 11. Выход MAX9636 с R _F = 100 кОм, C _F = 18 пФ, C _i = 72 пФ и импульсом входного тока 50 нА. Форма сигнала связана по переменному току для увеличения масштаба.

Эта статья демонстрирует теорию и расчеты для компенсации и стабилизации схемы TIA. Наблюдалось хорошее соответствие между теоретическими и лабораторными результатами.

Ссылки

1. Цзян, Х., и Ю, П.К.Л., «Анализ эквивалентной схемы гармонических искажений в фотодиоде», IEEE® Photonics Technology Letters, vol. 10, нет. 11, ноябрь 1998 г., стр. 1608–1610.
2. Грэм, Джеральд, «Фотодиодные усилители: решения для операционных усилителей», The McGraw-Hill Companies, Inc., ISBN 0-07-024247-X, стр. 47–50.

Что такое автоматические стабилизаторы?

Когда-нибудь в США начнется новая рецессия. Поскольку процентные ставки уже очень низки, денежно-кредитная политика может оказаться не в состоянии взять на себя все бремя смягчения экономических спадов. Таким образом, все большее значение приобретает роль фискальной политики в стабилизации экономики. Но из-за политической поляризации в Вашингтоне есть опасения, что Конгресс не сможет достаточно быстро снизить налоги или увеличить расходы (известные как дискреционная налогово-бюджетная политика), чтобы смягчить последствия кризиса. Поэтому экономисты и другие специалисты стремятся расширить положения закона, которые автоматически увеличивают расходы или сокращают налоговые начисления в случае экономического спада.

Что такое автоматические стабилизаторы?

Автоматические стабилизаторы — это механизмы, встроенные в государственные бюджеты без права голоса законодателей, которые увеличивают расходы или снижают налоги, когда экономика замедляется. Во время рецессии автоматические стабилизаторы могут ослабить финансовый стресс домохозяйств, сократив их налоговые платежи или увеличив выплаты в денежной и натуральной форме, и все это без изменений в налоговом кодексе или каком-либо другом новом законодательстве. Например, когда доход домохозяйства снижается, оно, как правило, меньше задолжало по налогам, что помогает смягчить удар. Кроме того, при снижении дохода домохозяйство может получить право на страхование по безработице (UI), продовольственные талоны (Программа дополнительной продовольственной помощи или SNAP) или Medicaid.

Старший научный сотрудник, Центр фискальной и денежно-кредитной политики Хатчинса, Институт Брукингса

Автоматические стабилизаторы не только помогают семьям, сталкивающимся с финансовыми трудностями, но и помогают экономике в целом, стимулируя совокупный спрос в трудные времена и когда экономика больше всего нуждается в поддержке. В лучшие времена автоматические стабилизаторы обычно сокращаются или отключаются. Большинство автоматических стабилизаторов являются федеральными; штаты и населенные пункты, как правило, обязаны сбалансировать свои бюджеты, поэтому они не могут иметь большой дефицит во время спадов.

Из каких компонентов состоят автоматические стабилизаторы?

Как налоги, так и расходы могут оказывать стабилизирующее воздействие на экономику. Большинство налогов имеют стабилизирующий эффект, поскольку они автоматически меняются вместе с экономическим ростом. Например, сборы подоходного налога с физических лиц и корпораций снижаются во время рецессии вместе с доходами и прибылью, а сборы налога на заработную плату снижаются, когда падают занятость и заработная плата. Расходы на некоторые трансфертные программы также зависят от состояния экономики. Например, расходы на страхование по безработице увеличиваются, когда растет уровень безработицы, а расходы на программы борьбы с бедностью, такие как Medicaid и SNAP, увеличиваются во время рецессии, потому что плохие экономические времена означают, что больше людей имеют право на получение помощи.

Как показано на диаграмме ниже, основная часть ценности автоматических стабилизаторов связана с изменениями налоговых поступлений, а не с расходами на программы. По данным Бюджетного управления Конгресса (CBO), на доходы приходилось в среднем около трех четвертей влияния автоматических стабилизаторов на бюджет за последние 50 лет (CBO 2015).

Чем автоматические стабилизаторы отличаются от изменений в дискреционной фискальной политике?

Одним из преимуществ автоматических стабилизаторов является то, что они не требуют принятия законодательных мер и быстро реагируют на экономические спады. Дискреционная налогово-бюджетная политика требует действий со стороны Конгресса, поэтому могут быть значительные временные задержки из-за дебатов о надлежащем ответе, шагах в процессе нормотворчества и административных действиях для того, чтобы средства поступали в карманы потребителей. Во время Великой рецессии Конгресс отреагировал относительно быстро: первой налогово-бюджетной мерой был Закон Буша об экономическом стимулировании, который был подписан 13 февраля 2008 г., то есть всего через два месяца после того, как позже было установлено, что рецессия началась (Furman 2018). ). Но самый большой пакет стимулов, Закон о восстановлении и реинвестировании Америки (ARRA) 2009 г., был утвержден через пять кварталов после начала рецессии. К этому времени расходы на автоматические стабилизаторы уже выросли до 2% потенциального ВВП — максимально устойчивого объема производства экономики (Schanzenbach 2016). Изучая политику экономической стабилизации с 1980 по 2018 год, Шейнер и Нг (2019) обнаруживают, что автоматические стабилизаторы обеспечивают около половины общей фискальной стабилизации, а другая половина обеспечивается дискреционной фискальной политикой.

Как со временем изменились автоматические стабилизаторы?

Реагирование автоматических стабилизаторов на экономические условия с течением времени было достаточно стабильным. По данным CBO, автоматические стабилизаторы в среднем составляли около 0,4 процента потенциального ВВП на каждый процентный пункт разницы между ВВП и потенциальным ВВП («разрыв выпуска») с 1965 по 2016 год. автоматический стабилизатор изменился сравнительно мало. Шейнер и Нг обнаружили, что, хотя степень цикличности общей налогово-бюджетной политики за последние 20 лет была несколько выше, чем за предыдущие 20 лет до этого, вклад в рост ВВП автоматических стабилизаторов в ответ на процентный разрыв между уровнем безработицы и естественный уровень был относительно стабильным, колеблясь между 0,3 и 0,5 между 1980 и 2008.

Как работали автоматические стабилизаторы во время Великой рецессии?

С 2009 по 2012 год автоматические стабилизаторы снизили доходы на 1,2 процента потенциального ВВП и увеличили расходы на 0,6 процента — совокупный эффект составил 1,8 процента потенциального ВВП. ^[1] Увеличение дискреционных расходов, вызванное законодательными действиями, составило в среднем около 1,3 процента потенциального ВВП за этот период. Как показано на диаграмме ниже, в 2013 году стимул дискреционных расходов был резко прекращен, хотя уровень безработицы оставался высоким. Автоматические стабилизаторы давали стимул гораздо дольше.

Как работают автоматические стабилизаторы на государственном и местном уровне?

Государственные и местные органы власти имеют сбалансированные бюджетные требования, а это означает, что любые сокращения расходов или увеличения налогов, поступающие от государственных и местных автоматических стабилизаторов, должны быть компенсированы, чтобы сбалансировать бюджет. Хотя у штатов есть фонды на черный день, предназначенные для того, чтобы помочь сбалансировать бюджеты, когда налоговые поступления падают, большинство из них слишком плохо финансируются, чтобы предотвратить необходимость сокращения расходов и повышения налогов во время рецессии. Когда правительства штатов и местные органы власти увеличивают налоги или сокращают расходы, чтобы удовлетворить требования сбалансированного бюджета, они противодействуют своим автоматическим стабилизаторам и тормозят усилия по восстановлению. Шейнер и Нг оценивают, что с 19С 80 по 2018 год дискреционное сокращение государственных и местных расходов полностью компенсирует стимулирующий эффект государственных и местных автоматических стабилизаторов.

Но требования сбалансированного бюджета также означают, что штаты с большей вероятностью будут тратить то, что они получают, поэтому отправка денег штатам является для федерального правительства особенно эффективным способом стимулирования экономики. Например, во время Великой рецессии федеральное правительство увеличило свою долю расходов на Medicaid, и это стало эффективным облегчением для штатов.

Как обстоят дела с расширением автоматических стабилизаторов в США?

Многие аналитики обеспокоены тем, что мы плохо подготовлены к следующей рецессии. В среднем Федеральная резервная система обычно снижает процентные ставки на пять процентных пунктов для борьбы с рецессией (Summers 2018). Но поскольку процентные ставки все еще значительно ниже 5 процентов, денежно-кредитная политика, вероятно, будет ограничена нулевой нижней границей, что повышает важность налогово-бюджетной политики как стабилизирующего инструмента. Кроме того, учитывая, что отношение долга к ВВП уже очень высоко по историческим меркам, неясно, можем ли мы полагаться на то, что Конгресс примет меры по стимулированию экономики во время следующей рецессии. Но выгоды от использования налогово-бюджетной политики для борьбы с рецессией, вероятно, намного превысят связанные с этим затраты. При таких низких процентных ставках долг обходится не очень дорого (Elmendorf and Sheiner, 2016; Blanchard, 2019).). Кроме того, в той мере, в какой продолжительная безработица приводит к сокращению участия в рабочей силе в течение продолжительного периода времени, использование налогово-бюджетной политики для борьбы с рецессией может даже окупиться в долгосрочной перспективе (DeLong and Summers, 2012)

Какие есть варианты для усиление автоматических стабилизаторов?

Чтобы автоматические стабилизаторы были эффективными, они должны быть своевременными и поддерживать совокупный спрос. То есть люди, получающие стимул, должны быстро получить деньги, а затем фактически потратить их. Однако не все программы снижения налогов или расходов одинаковы: сокращение определенных налогов или увеличение расходов на определенные программы имеют большую «отдачу от вложенных средств». Например, домохозяйства с более низкими доходами с большей вероятностью потратят дополнительный доход, чем домохозяйства с более высокими доходами, которые, скорее всего, будут иметь ресурсы для поддержания уровня расходов в трудные времена.

Таким образом, хороший способ улучшить автоматические стабилизаторы — усилить предохранительную сетку. Один из вариантов — автоматически увеличить количество продовольственных талонов, которые можно получить во время экономического спада. Это действие можно было бы осуществить быстро, увеличив стоимость электронных карточек льгот, и оно хорошо ориентировано на наиболее уязвимые семьи (Bernstein and Spielberg, 2016). Другим вариантом может быть продление или увеличение стоимости пособий по безработице (в настоящее время льготы по безработице ограничены 26 неделями). Действительно, исследования показывают, что такие меры, как SNAP и UI, имеют высокую «отдачу на доллар» в качестве экономического стимула (Blinder 2016).

Но одной этой политики может быть недостаточно для стимулирования. Одной из альтернатив может быть предоставление временного возмещаемого налогового кредита для работающих домохозяйств (Sahm 2019). Возмещаемые налоговые льготы помогают домохозяйствам с низкими доходами, поскольку они получают деньги, даже если они превышают сумму налогов, которые они должны заплатить. С другой стороны, политика снижения налоговых ставок, которая дала бы непропорциональные преимущества домохозяйствам с более высокими доходами, может быть менее эффективной.

Другие меры, такие как увеличение расходов на инфраструктуру или гранты штатам, также могут быть полезными за счет существенного увеличения расходов, но могут быть не оптимальными из-за временных задержек. Чтобы обойти проблему синхронизации, Haughwout (2019) предлагает план инвестиций в инфраструктуру, предусматривающий выделение федеральных средств на инфраструктурные проекты штата и местные органы власти, которые будут автоматически запущены во время рецессии. Фидлер и др. (2019) предлагают привязать долю федеральной поддержки программ штата Medicaid и CHIP (Программа медицинского страхования детей) к уровню безработицы штата.

Каковы автоматические стабилизаторы в США по сравнению с другими богатыми странами?

Автоматические стабилизаторы связаны с размером правительства и, как правило, больше в странах с развитой экономикой (Horton and El-Ganainy 2018). Среди стран с развитой экономикой автоматические стабилизаторы в США относительно слабее. На приведенной ниже диаграмме показан размер автоматических стабилизаторов — автоматическое изменение сальдо бюджета из-за изменения разрыва выпуска на один процентный пункт — для каждой страны, рассчитанное Girouard and Andre (2005). Их вывод о том, что в США автоматические стабилизаторы слабее, чем в большей части Европы, согласуется с другими исследованиями (Dolls et al. 2010; Fatas and Mihov 2016). Вместо этого США, как правило, используют относительно более агрессивную дискреционную фискальную политику, чтобы компенсировать более слабые автоматические стабилизаторы (Фатас и Михов, 2016).